TEM-bild av ett trippelatoms aktivt centrum och den schematiska illustrationen av en subnanometerreaktor som är värd för den för att katalysera NRR. Kredit:LIANG Ji
Single-atom catalysts (SACs) är lovande i elektrokatalysprocesser på grund av deras maximala utnyttjande av aktiva ämnen.
Dock, manipulering av dessa aktiva ställen i atomär skala för att tillfredsställa specifika reaktioner är fortfarande en viktig flaskhals på grund av deras isoleringsegenskaper.
Prof. Liu Jian från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid den kinesiska vetenskapsakademin och hans medarbetare föreslog en nano-inneslutningsstrategi för att vara värd för flera enkla Fe- och Cu-atomer inuti de extremt smala men regelbundna ythåligheterna av grafitisk kolnitrid för att bildar "subnanometerreaktorer".
Studien publicerades i Avancerade material den 2 sept.
"Dessa Fe- och Cu-atomer, mycket instängda i subnanometerreaktorerna, ger inte bara starkare interaktion med reaktanterna utan också, mer viktigt, leda till betydande synergieffekter på grund av deras unika mikromiljöer i detta extremt trånga utrymme, vilket är mycket gynnsamt för katalys, speciellt tandemprocesserna såsom kvävereduktionsreaktionen, " sa Prof. Liang Ji från Tianjin University, en medförfattare till studien.
"Detta är första gången som vi framgångsrikt och konceptuellt driver nanoreaktorerna mot en mycket mindre dimension för att bilda subnanometerreaktorer, som ger distinkt olika egenskaper från de konventionella nanoreaktorerna, " tillagt av Prof. Liu.
"Första principsimuleringen avslöjar att denna synergistiska effekt härrör från den unika Fe-Cu-koordinationen, som effektivt modifierar N 2 absorption, förbättrar elektronöverföring, och erbjuder extra redoxpar för kvävereduktionsreaktion, " sa Prof. Sun Chenghua från Swinburne University of Technology, en annan medförfattare till studien.
Forskarna fann att denna betydande synergi orsakad av de många instängda atomerna ledde till betydande prestandaförbättring för modellens elektrokatalytiska process, kvävereduktionsreaktionen (NRR).
Förbättringar i termer av högt ammoniakutbyte och effektivitet som är mycket högre i jämförelse med monometallmotsvarigheterna har uppnåtts.
Detta koncept med att konstruera subnanometerreaktorer ger inte bara en ny strategi för att manipulera katalysatorers aktiva centra på subnanometerskala, men belyser också utformningen av nya katalysatorer med en exakt rumslig placering på subnanometerskala för ett brett spektrum av katalytiska reaktioner också.
